基于MicroBlaze嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　由于Internet技術(shù)的滲透，嵌入式系統(tǒng)正變得越來越智能化并具有越來越多的網(wǎng)絡(luò)友好特性。Web技術(shù)的飛速發(fā)展，給嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入Internet提供絕佳的途徑。在現(xiàn)場(chǎng)儀表和企業(yè)設(shè)備層應(yīng)用嵌入式技術(shù)是企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相比，嵌入式技術(shù)不僅為開發(fā)者提供了大量的工具和函數(shù)庫，而且減少了傳統(tǒng)的客戶端，減少了二次開發(fā)的工作量;而把嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)結(jié)合起來，使得整個(gè)工控網(wǎng)絡(luò)易于和Internet實(shí)現(xiàn)無縫連接;現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是通過專用線路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其通信介質(zhì)、通信協(xié)議都是專用的，而Internet技術(shù)的滲透使嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理方式都有了改變，不再需要專用的通信線路，傳輸?shù)男畔⒁膊辉倬窒抻跀?shù)據(jù)信息。Web技術(shù)的發(fā)展、通信協(xié)議的公開、HTML語言的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性，使得只要在嵌入式設(shè)備中有一個(gè)微型服務(wù)器，通過用任意一種Web瀏覽器，用戶就可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)備。

　　2 嵌入式軟核處理器MicroBlaze

　　MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，和其他外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SoPc)的設(shè)計(jì)。MicroBlaze 32位軟處理芯核運(yùn)行速度為150 MHz，性能達(dá)100 D-MIPS。采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的獨(dú)立32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速度執(zhí)行存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器中的程序并訪問其中的數(shù)據(jù)。支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合為MicroBlaze設(shè)計(jì)人員提供了兼容性和重利用能力。MicroBlaze內(nèi)部有32個(gè)32位通用寄存器和2個(gè)32位特殊寄存器PC指針和MSR狀態(tài)標(biāo)志寄存器。為了提高性能，MicroBlaze還具有指令和數(shù)據(jù)緩存。所有的指令字長(zhǎng)都是32位，有3個(gè)操作數(shù)和2種尋址模式。指令按功能劃分有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、分支、存儲(chǔ)器讀/寫和特殊指令等。指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，他分為3級(jí)流水：取指、譯碼和執(zhí)行。

　　MicroBlaze軟處理器可為您提供不同方法的靈活性。首先可以從處理器內(nèi)核開始，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確滿足設(shè)計(jì)需要的外設(shè)集合。由于只需要實(shí)現(xiàn)自己所需要的部分，因此避免了芯片資源浪費(fèi)。因?yàn)椴恍枰帉懘a關(guān)閉/禁止不需要的處理器功能，因此降低了軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜性。創(chuàng)建專用處理器配置的工作也成為一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，而為了滿足技術(shù)規(guī)格的變化專用處理器配置隨時(shí)可能需要改變。即使在實(shí)際應(yīng)用5～6年后，連FPGA硬件本身可能也已經(jīng)接近其生命期的終點(diǎn)時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的利用同樣的C代碼將軟處理器內(nèi)核移植到新的FPGA硬件中就可以。硬件平臺(tái)或許需要一定的PCB修改，但遺留下的代碼仍然是可用的，不需要修改。

　　3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮現(xiàn)有的各種嵌入式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，絕大多數(shù)嵌入式Internet都使用微控制器和相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)。本文介紹的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)則是采用基于FPGA的MicroBlaze軟核處理器，其靈活性大大提高，而成本則可以大大降低，充分體現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)(SoPc)的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)主要支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合，DDR SDRAM主要用來存放軟件代碼以及一些需要保存的參數(shù)，BRAM用來在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ);網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用SMSC公司的IAN91C111芯片作為網(wǎng)絡(luò)接口。該器件是一個(gè)以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議棧中的物理層和MAC層的功能。他具有10 M/100 M自適應(yīng)、雙工/半工自適應(yīng)等功能，非常適合嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。LCD用來指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　4 硬件設(shè)計(jì)

　　本文在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候采用基于IP核的設(shè)計(jì)方法，并將大部分功能在單個(gè)FPGA芯片上予以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路原理圖之前，必須根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的IP核。所謂IP核，是指那些以硬件形式(硅片版圖)或者軟件形式(用Verilog、VHDL描述的RTL或者門級(jí)模型)存在的、具有特定功能的硬件電路。IP核通常分為硬核、固核與軟核3種。根據(jù)系統(tǒng)的硬件開發(fā)環(huán)境以及性能需求，本文選擇Xilinx公司開發(fā)的一系列軟核產(chǎn)品，他們是用VHDL語言所描述的硬件模塊，允許用戶根據(jù)需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行配置，如數(shù)據(jù)通路帶寬、優(yōu)先進(jìn)行速度優(yōu)化還是資源優(yōu)化等，因而應(yīng)用非常靈活。系統(tǒng)所用到的軟IP核產(chǎn)品有MicroBlaze，BRAM、定時(shí)器、通用異步收發(fā)器UART，以及用于外部功能擴(kuò)展的OPB總線模塊。

　　硬件設(shè)計(jì)使用的是ISE可編程邏輯器件集成開發(fā)環(huán)境。提供從設(shè)計(jì)輸入到器件編程的全部功能。采用Xilinx公司的EDK開發(fā)工具可大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，他能夠在圖形化界面內(nèi)定制一個(gè)從硬件到軟件的完整系統(tǒng)。在EDK中包含了外設(shè)與MicroBlaze的接口，所以只需定義CPU與外設(shè)的接口即可。設(shè)計(jì)采用的CPU為MicroBlaze僅占用900個(gè)邏輯單元。在EDK下添加對(duì)應(yīng)接口模塊。然后生成對(duì)應(yīng)的VHDL文件。同時(shí)，EDK還根據(jù)定制的結(jié)果，自動(dòng)的生成針對(duì)特定硬件環(huán)境的C語言的頭文件以及函數(shù)庫，這在軟件設(shè)計(jì)中會(huì)極大地減少軟件開發(fā)人員的工作量。

　　本文采用的是Xilinx公司Virtex4系列FPGA芯片，最多能提供200 000個(gè)邏輯單元和多達(dá)64 kB的BRAM存儲(chǔ)空間。由于FPGA芯片具有可反復(fù)更改的特性，因此有助于硬件系統(tǒng)的改進(jìn)和不斷升級(jí)。

　　由于在FPGA芯片上構(gòu)造以太網(wǎng)物理層、MAC層電路較困難，本文將這些功能放到FPGA芯片的外面，使用LAN91C111芯片來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)硬件接口功能。SMSC公司的LAN91C111是為了方便嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)連接到快速以太網(wǎng)而專門設(shè)計(jì)的，他實(shí)現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議的物理層和媒體訪問控制層(MAC)兩個(gè)部分，并可以很方便地與許多嵌入式處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。